Wat zijn de intelligente monitoringsystemen voor onderstations? How to use fluorescent fiber optic monitoring for transformer temperature-INNO

1、 Onderdelen van het intelligente monitoringsysteem voor onderstations
Het intelligente monitoringsysteem voor onderstations is een belangrijk technisch middel om de veilige en stabiele werking van onderstations te garanderen, die meerdere monitoringinhouden en componenten omvat.

(1) Bewaking van de werkingsstatus van apparatuur
Bewaking van parameters voor elektrische apparatuur
Realtime monitoring van bedrijfsparameters van verschillende elektrische apparatuur in het onderstation, zoals spanning, huidig, stroom, enz. van transformatoren. Door sensoren op het apparaat te installeren om deze parameters te verkrijgen, het systeem kan onmiddellijk waarschuwen als de parameters het normale bereik overschrijden. Bijvoorbeeld, huidige overbelasting kan ertoe leiden dat apparatuur oververhit raakt of zelfs beschadigd raakt. Door de stroom nauwkeurig te monitoren, Potentiële problemen kunnen vooraf worden opgespoord. This helps power workers to adjust the operation status of equipment in a timely manner, avoid faults, and improve the reliability of power supply in substations.
For devices such as circuit breakers and isolating switches, their opening and closing status can also be monitored. Intelligent analysis of the status of its opening and closing signs ensures the correctness of device operation and prevents safety risks caused by misoperation. This is particularly important in the daily switching operations of substations, which can effectively ensure the stable operation of the power system and the safety of operators.
Equipment temperature monitoring
The equipment in the substation generates heat during operation, especially large equipment like transformers. Een te hoge temperatuur kan de prestaties en levensduur van apparatuur beïnvloeden, en zelfs storingen veroorzaken. Daarom, Het monitoren van de temperatuur van apparaten is een belangrijk onderdeel van intelligente monitoringsystemen. Naast bewaking van de transformatortemperatuur (die later in detail zal worden beschreven), het omvat ook temperatuurbewaking van apparatuur en rails in de schakelapparatuur. Bijvoorbeeld, real-time monitoring van de oppervlakte- of interne temperatuur van apparatuur kan worden bereikt via infrarood-thermische beeldtechnologie of glasvezeltemperatuursensoren om temperatuurafwijkingen zoals lokale oververhitting onmiddellijk te detecteren.
Bewaking van de isolatieprestaties van apparatuur
De isolatieprestaties van elektrische apparatuur houden rechtstreeks verband met de veilige werking van de apparatuur. The intelligent monitoring system can evaluate the insulation status of equipment by monitoring parameters such as insulation resistance and partial discharge. Bijvoorbeeld, partial discharge is an important indicator of insulation degradation, and by installing partial discharge sensors, partial discharge signals inside the equipment can be captured. Based on the characteristics of signal strength, frequentie, enz., determine the health status of insulation. If the insulation performance decreases, it may lead to serious faults such as equipment short circuit and grounding. Monitoring the insulation problem in advance and taking measures, such as replacing insulation components, can effectively extend the service life of the equipment and reduce maintenance costs.
（2） Environmental monitoring
Temperature and humidity monitoring
The temperature and humidity inside the substation have a certain impact on the operation of the equipment. Excessive humidity may cause equipment to become damp, leading to decreased insulation performance, corrosie, en andere kwesties; Excessive or insufficient temperature can also affect the performance and lifespan of the equipment. By installing temperature and humidity sensors in the substation, real-time temperature and humidity data of the environment can be obtained. Bijvoorbeeld, in some southern humid areas, humidity monitoring is particularly important. Once the humidity exceeds the set threshold, the system can activate dehumidification equipment such as dehumidifiers to keep the environment dry and protect the equipment from the hazards of humidity.
Water immersion monitoring
Flooding may be caused by factors such as rainfall or water pipe leaks. If there is flooding in the substation, it may cause serious damage to electrical equipment. Water immersion monitoring sensors are usually installed in low-lying areas of substations, kabel sleuven, and other places that are prone to water accumulation. Once water immersion is detected, the system will immediately sound an alarm so that staff can take timely drainage measures to prevent equipment from being damaged by water immersion.
Smoke detection monitoring
Smoke detection monitoring is to prevent the occurrence of fires. There are a large number of electrical equipment in the substation, and if faults such as short circuits and overloads occur, they may cause fires. Smoke detectors can detect smoke in a timely manner. Once smoke is detected, the system will trigger an alarm signal and can also be linked with the fire extinguishing system, such as activating fire extinguishers, fire water sprinklers, enz. (indien uitgerust), to minimize the damage of fires to substations.
（3） Video surveillance and intelligent analysis
Video surveillance function
There are multiple cameras installed in the substation, which can provide comprehensive video monitoring of various areas of the substation. These cameras have multiple functions, such as the ability to capture clear images during both day and night, and some cameras also have infrared fill light function, which can work normally even at night or in low light environments. Video surveillance can real-time view the appearance status of equipment and personnel activities in the substation. Bijvoorbeeld, het personeel kan videobewaking gebruiken om eventuele afwijkingen in het uiterlijk van transformatoren te controleren, zoals olielekkage, rook, of onbevoegd personeel dat gevaarlijke gebieden van onderstations betreedt.
Intelligente analysefunctie
Naast de basisvideobewakingsfuncties, het intelligente monitoringsysteem beschikt ook over intelligente analysemogelijkheden. Bijvoorbeeld, Dankzij gezichtsherkenning van personeel in de video kan alleen geautoriseerd personeel specifieke delen van het onderstation betreden, wat de veiligheid van het onderstation helpt verbeteren. Tegelijkertijd, Ook kan een intelligente analyse van de bedrijfsstatus van de apparatuur worden uitgevoerd, zoals het analyseren van de kleurveranderingen van het uiterlijk van de apparatuur (wat op een abnormale temperatuur kan duiden), het verplaatsen van onderdelen van apparatuur (Dit kan duiden op losheid of storing), enz., om te helpen bij het bepalen van de bedrijfsstatus van de apparatuur. Deze intelligente analysefunctie kan de werklast van handmatige inspectie verminderen en de efficiëntie en nauwkeurigheid van de monitoring verbeteren.
(4) Communicatienetwerk en gegevensverwerking
Communicatie netwerk
De verschillende bewakingsapparaten in het intelligente bewakingssysteem van het onderstation moeten de verzamelde gegevens via een communicatienetwerk naar het bewakingscentrum verzenden. Het communicatienetwerk kan een combinatie van bekabelde communicatie aannemen (zoals glasvezelcommunicatie) en draadloze communicatie (zoals ZigBee, Wifi, 4G/5G, enz.). Glasvezelcommunicatie heeft de voordelen van een hoge transmissiesnelheid en een sterk anti-interferentievermogen, waardoor het geschikt is voor het verzenden van grote hoeveelheden realtime monitoringgegevens, such as equipment operating parameters, video images, enz; Wireless communication, anderzijds, has the characteristics of high flexibility and easy deployment, and is suitable for networking some sensor nodes, such as temperature and humidity sensors, water immersion sensors, enz. Through a reliable communication network, ensure that monitoring data can be accurately and timely transmitted to the monitoring center for subsequent analysis and processing.
gegevensverwerking
At the monitoring center, a large amount of monitoring data received needs to be processed. Data processing includes operations such as storage, analyse, and mining of data. Data storage can use a database system to store different types of monitoring data according to certain rules for subsequent queries and analysis. Data analysis can use various algorithms, such as data filtering, trendanalyse, enz., to extract useful information from massive data. Bijvoorbeeld, by analyzing the long-term trend of transformer temperature data, the health status of the transformer can be predicted, and maintenance and repair work can be arranged in advance. Data mining techniques can also discover the correlation between different monitoring data, such as the relationship between temperature and equipment operating power, providing a basis for optimizing the operation of substations.

2、 Principle of Transformer Temperature Fluorescence Fiber Optic Monitoring
Transformer temperature fluorescence fiber monitoring is an advanced temperature monitoring technology based on fluorescence characteristics.
（1） The characteristics of fluorescent substances and the relationship between fluorescence afterglow and temperature

Fluorescerende optische vezels bevatten specifieke fluorescerende stoffen die fluorescerende signalen uitzenden bij blootstelling aan excitatielicht. Het belangrijke kenmerk ervan is de specifieke relatie tussen fluorescentie-nagloeien (d.w.z. de tijd van fluorescentieverval) en temperatuur. Bij lagere temperaturen, de fluorescentie nagloeien is langer; Naarmate de temperatuur stijgt, de moleculaire beweging van fluorescerende stoffen wordt intenser, energieoverdracht en -omzetting versnellen, resulterend in een verkorte fluorescentie nagloeien. Bijvoorbeeld, Sommige met zeldzame aardmetalen gedoteerde fluorescerende materialen ervaren een geleidelijke afname van de fluorescentie-nagloeiing van enkele milliseconden tot enkele honderden microseconden naarmate de temperatuur stijgt van 20 °C tot 100 ° C. De kwantificeerbare relatie tussen fluorescentie-nagloeien en temperatuur vormt de basis voor het monitoren van de fluorescentie-glasvezeltemperatuur.

(2) De rol van optische vezels bij temperatuurmonitoring
Optische signaaloverdracht
Glasvezelkabels spelen een belangrijke rol bij het verzenden van optische signalen in dit monitoringsysteem. Glasvezel heeft uitstekende optische prestaties, die excitatielicht efficiënt kan overbrengen naar de locatie van fluorescerende stoffen, en ook het door fluorescerende stoffen uitgezonden fluorescentiesignaal naar detectieapparatuur verzenden. Het transmissieverlies van optische vezels is laag, en zelfs over lange afstanden (zoals in grote transformatoren, waar optische vezels mogelijk signalen van de wikkeling naar externe detectieapparatuur moeten verzenden), het kan een effectieve signaaloverdracht garanderen. Bijvoorbeeld, in enkele grote onderstations, optische vezels kunnen zich uitstrekken van de diepten van de wikkelingen naar de monitoringhost buiten de transformator, met een transmissieafstand tot tientallen meters, en de signaalverzwakking is relatief klein.

Elektrische isolatie en anti-interferentie
Er is een sterk elektromagnetisch veld in de transformator, en optische vezels zijn gemaakt van isolatiemateriaal zoals glas of plastic, die uitstekende elektrische isolatieprestaties hebben. Hierdoor kunnen optische vezels normaal functioneren in zware elektromagnetische omgevingen in transformatoren, zonder te worden beïnvloed door elektromagnetische interferentie. Vergeleken met traditionele methoden voor elektrische signaaloverdracht, zoals het gebruik van thermokoppels of weerstandsthermometers, optische vezels worden niet beïnvloed door ruis veroorzaakt door elektromagnetische inductie, waardoor nauwkeurigere temperatuurmetingen mogelijk zijn. Bijvoorbeeld, in de buurt van transformatorwikkelingen, the electromagnetic field strength may reach thousands of Gauss, and traditional electrical sensors may produce significant measurement errors, while fluorescent fiber optic sensors can accurately measure temperature.

（3） Overall monitoring principle
Conversion of temperature and fluorescence signals

In the transformer temperature fluorescent fiber monitoring system, fluorescent fiber sensors are arranged at key parts of the transformer, zoals wikkelingen. When an external light source excites the fluorescent substance in the fluorescent fiber, the fluorescent substance emits a fluorescent signal, and the detection system measures the afterglow time of the fluorescent signal. Based on the pre calibrated relationship curve between fluorescence afterglow time and temperature (die werd verkregen door middel van uitgebreide experimenten en kalibratiewerk, zoals het nauwkeurig meten van de nagloeitijd van fluorescerende stoffen bij verschillende temperaturen en het opstellen van wiskundige modellen), zet de gemeten fluorescentie-nagloeitijd om in overeenkomstige temperatuurwaarden. Hierdoor wordt de conversie van fluorescentiesignaal naar temperatuur bereikt, waardoor realtime monitoring van temperatuurveranderingen in transformatoren mogelijk is.

Systeemcompositie en samenwerking

Het gehele monitoringsysteem bestaat hoofdzakelijk uit een lichtbron, fluorescerende glasvezelsensoren, detectie systeem, en gegevensverwerkingssysteem. De lichtbron zorgt voor excitatielicht, en de fluorescentievezelsensor meet de temperatuur en genereert overeenkomstige fluorescentiesignalen. Het detectiesysteem meet de relevante parameters van het fluorescentiesignaal (zoals nagloeitijd), en de gegevensverwerkingssysteemprocessen, analyseert, en slaat de gedetecteerde gegevens op. Bijvoorbeeld, het gegevensverwerkingssysteem kan de verzamelde temperatuurgegevens in realtime weergeven, bepaal de alarmdrempel (als de temperatuur de ingestelde veiligheidsdrempel overschrijdt, het systeem geeft een alarm af), en voer langetermijntrendanalyses uit op de temperatuurgegevens om de gezondheidsstatus van de transformator te evalueren.
3、 Stappen voor het bewaken van de transformatortemperatuur van fluorescente glasvezel
(1) Sensorindeling
Bepaal de monitoringlocatie
Voordat u fluorescentie-glasvezelmonitoring van de transformatortemperatuur uitvoert, de eerste stap is het bepalen van de plaatsing van sensoren. De temperatuurverdeling van verschillende onderdelen in de transformator is ongelijkmatig, Bijvoorbeeld, de hotspottemperatuur van de wikkeling is vaak de belangrijkste zorg. Hotspot refers to the area where heat is accumulated in certain local positions of the winding during the operation of a transformer due to the heat generated by the current passing through the winding, resulting in a relatively high temperature. According to the structure and thermal characteristics of transformers, fluorescent fiber optic sensors are usually arranged at key parts of the winding, such as the upper or lower layer near the winding, as well as the middle part of the winding. In aanvulling, sensors may need to be installed at locations such as the iron core and oil passages to comprehensively monitor the temperature inside the transformer. This requires a deep understanding of the heat transfer mechanisms such as conduction, convection, en straling in transformatoren om ervoor te zorgen dat sensoren de temperatuurveranderingen in de transformator nauwkeurig kunnen volgen.

Bijvoorbeeld, voor olie-ondergedompelde transformatoren, de oliestroom heeft een zekere invloed op de temperatuurverdeling. In gebieden met lagere oliestroomsnelheden, warmte kan zich gemakkelijker ophopen, Door sensoren in deze gebieden te plaatsen, kunnen potentiële temperatuurafwijkingen beter worden bewaakt. Tegelijkertijd, Er moet ook rekening worden gehouden met de installatiemethode van de sensor om ervoor te zorgen dat de sensor in nauw contact staat met de interne componenten van de transformator, om temperatuurveranderingen nauwkeurig te kunnen waarnemen. Voor wikkelingen, sensoren kunnen worden geïnstalleerd door wikkelen of inbedden, terwijl voor het oppervlak van de ijzeren kern, sensoren kunnen worden geïnstalleerd door armaturen te plakken of te bevestigen.

Installatie van sensoren

Na het bepalen van de plaatsing van de sensor, Ga verder met de installatie van de sensor. Voor fluorescerende glasvezelsensoren, het installatieproces moet strikte operationele procedures volgen. Ten eerste, het is noodzakelijk om ervoor te zorgen dat het glasvezelgedeelte van de sensor niet wordt beschadigd, omdat de integriteit van de glasvezel cruciaal is voor de transmissie van optische signalen. Tijdens het installatieproces, Er kan speciaal gereedschap en apparatuur nodig zijn, zoals vezelfusielasapparaten (als glasvezelsegmenten moeten worden aangesloten). Voor sensoren ingebed in wikkelingen, het is belangrijk om te voorkomen dat de isolatieprestaties van de wikkelingen worden beïnvloed. Bijvoorbeeld, het isolatiepapier of de isolatieverflaag van de wikkeling kan tijdens de installatie niet beschadigd raken. Tegelijkertijd, de sensor moet na installatie worden bevestigd om verplaatsing of schade aan de sensor als gevolg van trillingen of andere redenen tijdens de werking van de transformator te voorkomen. Voor het geval van het verbinden van interne en externe optische vezels via flenzen, het is noodzakelijk om te zorgen voor een goede afdichting van de flenzen om olielekkage naar de glasvezelverbinding te voorkomen en de overdracht van optische signalen te beïnvloeden.

(2) Signaalexcitatie en -acquisitie

Selectie en instelling van excitatielichtbron

Het kiezen van de juiste excitatielichtbron is een belangrijke stap bij het monitoren van fluorescentievezels. De golflengte van de excitatielichtbron moet overeenkomen met de excitatiegolflengte van de fluorescerende stof in de fluorescerende vezel. Over het algemeen gesproken, commonly used excitation light sources include laser diodes, enz. Bijvoorbeeld, for some rare earth doped fluorescent fibers, the excitation wavelength may be between 400-500nm, and a laser diode of the corresponding wavelength needs to be selected as the excitation light source. When setting up the excitation light source, factors such as the power and stability of the light source should be considered. The power of the light source should not be too high to avoid causing light damage to the fluorescent substance, affecting its service life and fluorescence characteristics; In de tussentijd, the stability of the light source should be good to ensure the reproducibility of the fluorescence signal generated by each excitation. Bijvoorbeeld, if the power fluctuation of the light source is large, dit kan ertoe leiden dat de gemeten fluorescentie-nagloeitijd onstabiel is, waardoor de nauwkeurigheid van de temperatuurmeting wordt beïnvloed.

Verzameling van fluorescentiesignalen

Wanneer de excitatielichtbron op de fluorescerende vezelsensor wordt gestraald, de fluorescerende stof zendt fluorescerende signalen uit, die door een detectiesysteem moeten worden verzameld. Het detectiesysteem omvat doorgaans componenten zoals fotodetectoren. Fotodetectoren kunnen ontvangen fluorescentielichtsignalen omzetten in elektrische signalen voor daaropvolgende verwerking. Bij het verzamelen van fluorescentiesignalen, Er moet aandacht worden besteed aan factoren zoals de hoek en afstand van verzameling. Omdat de intensiteit van fluorescentiesignalen varieert onder verschillende hoeken en afstanden, om een nauwkeurige verzameling van fluorescentiesignalen te garanderen, het is noodzakelijk om de optimale verzamelhoek en -afstand te bepalen op basis van de kenmerken van de sensor en het detectiesysteem. Bijvoorbeeld, voor sommige glasvezelsensoren, het verzamelen van fluorescentiesignalen bij a 45 hoek van een graad ten opzichte van de fotodetector kan betere resultaten opleveren. Tegelijkertijd, om de interferentie van extern strooilicht te verminderen, het detectiesysteem kan zijn uitgerust met voorzieningen zoals lichtschermen.

(3) Temperatuurberekening en gegevensverwerking

Bereken de temperatuur op basis van fluorescentie nagloeien

Na het verzamelen van het fluorescentiesignaal, het detectiesysteem meet de nagloeitijd van het fluorescentiesignaal. Bereken de overeenkomstige temperatuurwaarde op basis van het vooraf vastgestelde relatiemodel tussen de fluorescentie-nagloeitijd en de temperatuur. This relationship model was obtained through extensive experimentation and calibration. Bijvoorbeeld, in the laboratory, fluorescent fiber optic sensors are placed in constant temperature environments at different temperatures to measure their fluorescence afterglow time. Dan, mathematical expressions for fluorescence afterglow time and temperature are obtained through data fitting and other methods, such as quadratic or exponential functions. Bij praktische toepassingen, by substituting the measured fluorescence afterglow time into this mathematical expression, the temperature value inside the transformer can be calculated.

Data Processing and Analysis

The calculated temperature data requires further processing and analysis. Data processing includes operations such as filtering and smoothing of data to remove noise and errors during the measurement process. Bijvoorbeeld, digital filtering algorithms such as mean filtering, median filtering, enz. can be used to process temperature data, making the data smoother and more accurate. In terms of analysis, temperature data can be displayed in real time so that staff can intuitively understand the temperature condition of the transformer. Tegelijkertijd, an alarm threshold can be set, and the system will issue an alarm when the temperature exceeds the set safety threshold. In aanvulling, through long-term trend analysis of temperature data, the health status of transformers can be evaluated. Bijvoorbeeld, if a gradual increase in temperature is found, it may indicate potential faults in the transformer, such as aging of winding insulation, which require further inspection and maintenance.

4、 Example of Fluorescence Fiber Optic Monitoring for Transformer Temperature

1. Installatie en configuratie van een olie-ondergedompeld transformatorsysteem
In het temperatuurbewakingsproject van olie-ondergedompelde transformatoren in een groot onderstation, de installatie van een fluorescerend glasvezelmonitoringsysteem werd voor het eerst uitgevoerd. Volgens de structurele kenmerken van de transformator, fluorescerende glasvezelsensoren zijn op meerdere sleutelposities van de wikkeling aangebracht, inclusief de bovenkant, midden, en onderkant van de wikkeling, evenals in de buurt van de ijzeren kern. De sensor wordt via een speciaal bevestigingsmiddel op de wikkeling geïnstalleerd om nauw contact met de wikkeling te garanderen zonder de isolatieprestaties van de wikkeling te beïnvloeden. De interne optische vezel is via een flens verbonden met de externe optische vezel, en de externe optische vezel zendt het optische signaal naar de temperatuurmetingshost die zich nabij de transformator bevindt. De gastheer voor temperatuurmeting is uitgerust met een stabiele excitatielichtbron, uiterst nauwkeurige foto-elektrische detector, en krachtig gegevensverwerkingssysteem. De excitatielichtbron selecteerde een laserdiode met een golflengte van 450 nm, en het vermogen ervan werd nauwkeurig aangepast om te voldoen aan de excitatie-eisen van de fluorescerende stof zonder er schade aan te veroorzaken.

In termen van gegevensverwerkingssysteem, er is een geschikte frequentie voor het verzamelen van gegevens ingesteld, zoals het elke keer verzamelen van temperatuurgegevens 5 notulen. Tegelijkertijd, alarmdrempels werden ingesteld op basis van de bedrijfsparameters en historische gegevens van de transformator. Voor deze olie-ondergedompelde transformator, wanneer de wikkelingstemperatuur hoger wordt 120 ° C, the system will issue a high temperature alarm signal. In order to ensure the reliability of the system, a comprehensive test was conducted on the entire system after installation, including optical transmission performance testing of optical fibers, temperature response testing of sensors, enz.

Operation monitoring and fault warning
During the daily operation of the transformer, the fluorescent fiber optic monitoring system continues to work. By collecting and analyzing temperature data in real-time, staff can understand the temperature distribution inside the transformer at any time. Bijvoorbeeld, tijdens de hoge temperatuurperiode in de zomer, due to the large load on the transformer, the winding temperature rises slightly. The monitoring system accurately captured temperature changes and promptly issued warning information when the temperature approached the alarm threshold. This enables the staff to take measures in advance, such as adjusting the load of the transformer, strengthening ventilation and heat dissipation, enz., to avoid faults that may be caused by further temperature rise. During a single operation, the monitoring system discovered an abnormal increase in temperature at a certain location of the winding. Upon further inspection, it was found that the blockage in the oil passage at that location was causing poor heat dissipation. By promptly cleaning the oil passage, the issue of abnormal temperature was resolved, avoiding potential transformer failures and ensuring the normal operation of the substation.

2. Example of temperature monitoring for dry-type transformers

Sensor layout and installation characteristics

For the dry-type transformer in the distribution room of a certain factory, the layout of sensors is different when using fluorescent optical fiber to monitor temperatuur. Due to the fact that the heat dissipation method of dry-type transformers is mainly air convection, the heat distribution is relatively uniform, but the end of the winding is still an area where the temperature is prone to rise. Daarom, in terms of sensor layout, fluorescent fiber optic sensors are mainly arranged at the ends and middle parts of the winding. Bij het installeren van sensoren, considering the compact structure of dry-type transformers, miniaturized sensors were used and fixed on the winding surface using special fixtures. This installation method not only ensures good contact between the sensor and the winding, but also facilitates installation and maintenance.